一种用于时间比特-相位编码的解码装置的制作方法

本发明涉及量子通信技术领域，具体涉及一种用于时间比特-相位编码的解码装置。

背景技术

量子保密通信作为当代通信技术领域的前沿，其发展日新月异，相对于传统的通信技术而言，从原理上保证了通信的绝对安全性，这是传统通信技术不能望其项背的。量子保密通信领域中，应用最广泛、发展最成熟的就是量子密钥分发方向。量子密钥分发利用了量子力学中的量子不可复制等基本原理，使用“一次一密”的方式对信息加密，非常适用于对保密性要求较高的国防单位、政府机关、科研单位、金融机构等。

目前量子密钥分发的编码方案中，较为常见的是偏振编码和相位编码方案。偏振编码方案作为1984年最早提出的编码方案，有着接收端插损低、成本低且结构简单的优点，所以目前为主要的编码方式，而其劣势为偏振系统容易受到光纤偏振扰动的影响，直接影响其误码率，特别是架空光缆环境下需要频繁启动偏振反馈或者需要快偏模块控制误码率到正常水平才能成码。而这些因素也造成了时间上的浪费以致成码率降低或者不稳定。

相比于偏振编码，相位编码的应用场景比较适合偏振变化比较剧烈的情形，相位编码方案通过不等臂干涉仪制备光脉冲，利用前后光脉冲的相位差作为信息载体，而光纤的偏振变化对相位差的影响较小，因此偏振变化不会造成误码率上升，而最多使得接收计数率下降。这在远距离传输或有强烈外界干扰的环境中将显示出较大的优势。然而其劣势为传统相位系统的接收端插损很大，比偏振编码系统的接收端增加至少3db。而且在偏振变化比较剧烈的情况下，接收损耗进一步增加3db，导致成码率以及最远成码距离低于偏振系统，不一定能很好地应用于长距离架空光缆环境。

在此前提下，人们提出了时间比特-相位编码的方案。其发送端和接收端的编码和解码设计所针对的2组基矢为时间基矢和相位基矢，也即为：z基矢(本征态为|t0>、|t1>)，和x(或y)基矢(本征态为(或))。这里，|t0>、|t1>表示2个不同的时间模式，也即从时间轴上观察两者是完全不重叠的模式。图1示出了时间比特-相位编码中的x基矢和z基矢。

图2示出了现有技术的一种基于时间比特-相位编码方式的解码端结构，其中，针对z基矢的解码是与偏振无关的，而在x基矢解码方面，则是利用平面光路技术(plc)在硅基板上由图案结构形成的光波导来制作非对称马赫曾德尔(mz)干涉系统来执行。如图2所示，编码端产生的光脉冲信号经传输到达解码端后，首先经过一个分束器并且可以在其作用下进入z基矢解码部分或者进入x基矢解码部分。在z基矢解码部分中，基于时间位置的不同来实现对z基矢的解码；在x基矢解码部分中，通过由plc技术形成的非对称马赫曾德尔干涉系统来对对x基矢进行解码。在这种x基矢解码部分中，要达到偏振无关的效果需要非常复杂的控制过程，例如需要对诸如温度等参数进行高精度的控制。在图2所示的解码端结构中，也可以简单地利用光纤器件来实现x基矢解码部分，此时所形成的该部分结构可以等效为mz干涉仪，而这种光纤mz干涉仪是与偏振相关的，需要偏振反馈。另外，这种x基矢解码部分中，干涉结果中存在非干涉部分，且非干涉部分所占比例为50％，这就导致这种x基矢解码部分中存在固有的3db解码损耗。

图3示出了另一种现有技术的基于时间比特-相位编码方式的解码端结构，其用于接收先后两个不同偏振态(水平和垂直偏振态)的信号光脉冲。在该解码端结构中，两个不同偏振态的信号光脉冲先后到达偏振分束器22并根据偏振态的不同分成两路具有不同偏振态的光，例如：垂直偏振光被反射由端口22c输出，经过延时线24延时后再经法拉第旋转镜25转变为水平偏振光并沿原光路返回至偏振分束器，经透射由端口22b输出；水平偏振光被投射经端口22d输出，经过法拉第旋转镜26转变为垂直偏振光并沿原光路返回至偏振分束器，经反射后同样由端口22b输出。其中，通过延时线24的设置使得两路具有不同偏振态的光由端口22b输出后在时间上形成一致，再由λ/²波片调整偏振方向并在偏振分束器27处发生干涉，最后由光电探测器13和14进行测量干涉结果，从而完成x基矢的解码。在这种解码端结构中，可以避免非干涉部分造成的损耗，但是带来的问题是需要对这种相位系统的偏振进行反馈，而在恶劣环境下(如架空光缆、高铁线路)很难进行偏振反馈时，同样会有非干涉部分造成损耗。另外，不同环境下传输信道对不同偏振态的相位变化也不一致，相位态的2个脉冲之间的相位受环境影响，导致对相位反馈的速度要求很高，或者在变化恶劣环境下根本来不及相位反馈，从而让相位态误码率严重恶化。

因此，现有技术中用于时间比特-相位编码方案的解码端结构存在的偏振相关、插损高、系统复杂及成本高等问题，成为目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种用于时间比特-相位编码的解码装置，能够解决现有技术中用于时间比特-相位编码方案的解码端结构存在的偏振相关、插损高、系统复杂及成本高等问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种用于时间比特-相位编码的解码装置，包括：不等臂迈克尔逊干涉仪、两个光电探测器、解码单元和环形器；

所述不等臂迈克尔逊干涉仪包括分束器和两个反射镜，所述两个反射镜分别与所述分束器连接以构成所述干涉仪的长臂和短臂，所述不等臂迈克尔逊干涉仪的臂长差对应的时间差值与相位基矢的2个时间模式光脉冲之间的时间间隔一致；

所述两个光电探测器分别连接所述不等臂迈克尔逊干涉仪的两个输出端口；

所述解码单元连接所述两个光电探测器，以根据所述两个光电探测器的输出进行所述相位基矢和/或时间基矢下的解码；

所述环形器与所述用于时间比特-相位编码的解码装置的输入端口、所述不等臂迈克尔逊干涉仪的一个输出端口、以及一个光电探测器相连。

优选的，所述环形器包括：

第一、第二和第三端口，所述用于时间比特-相位编码的解码装置的输入端口依次经由所述第一端口和所述第二端口与所述不等臂迈克尔逊干涉仪相连，所述不等臂迈克尔逊干涉仪的输出端口中的一个依次经由所述第二端口和所述第三端口与所述光电探测器中的一个相连。

优选的，解码单元被设置成，在一个系统周期内检测两个光电探测器在第一、第二和第三时间窗口上的输出，其中所述第一、第二和第三时间窗口在时间上依次靠后。

优选的，所述用于时间比特-相位编码的解码装置被设置成，根据在所述第二时间窗口上探测到干涉光信号的光电探测器来进行相位基矢解码；

或者；

所述用于时间比特-相位编码的解码装置被设置成，根据所述两个光电探测器的有关非干涉光信号的输出所对应的时间窗口的位置来进行时间基矢解码。

优选的，反射镜包括：法拉第旋转镜；

所述不等臂迈克尔逊干涉仪中还包括：移相器。

一种用于时间比特-相位编码的解码装置，包括：基矢选择部件、相位基矢解码部分、时间基矢解码部分和环形器，所述基矢选择部件用于根据预设概率将基矢脉冲输入到所述相位基矢解码部分和所述时间基矢解码部分中的一个；

所述时间基矢解码部分包括第一光电探测器和时间基矢解码单元部分，所述时间基矢解码单元部分连接所述第一光电探测器以根据所述第一光电探测器的输出进行时间基矢解码；

所述相位基矢解码部分包括不等臂迈克尔逊干涉仪、第二和第三光电探测器以及相位基矢解码单元部分，所述相位基矢解码单元部分连接所述第二和第三光电探测器，以根据所述第二和第三光电探测器的输出进行相位基矢解码；

所述干涉仪包括分束器和两个反射镜，所述两个反射镜分别与所述分束器连接以构成所述干涉仪的长臂和短臂，所述干涉仪的臂长差对应的时间差值与相位基矢的2个时间模式光脉冲之间的时间间隔一致；以及

所述第二和第三光电探测器分别连接所述干涉仪的两个输出端口；

所述环形器与所述用于时间比特-相位编码的解码装置的输入端口、所述不等臂迈克尔逊干涉仪的一个输出端口、以及一个光电探测器相连。

优选的，所述环形器包括：第一、第二和第三端口，所述基矢选择部件的输出端口依次经由所述第一端口和所述第二端口与所述干涉仪相连，所述干涉仪的所述输出端口中的一个依次经由所述第二端口和所述第三端口与所述第二和第三光电探测器中的一个相连。

优选的，所述相位基矢解码单元部分被设置成，在一个系统周期内检测所述第二和第三光电探测器在第二时间窗口上的输出；

所述时间基矢解码单元部分被设置成，在一个系统周期内检测所述第一光电探测器在所述第一和第二时间窗口上的输出；

所述第一和第二时间窗口在时间上依次靠后。

优选的，所述相位基矢解码单元部分被设置成，根据在所述第二时间窗口上探测到干涉光信号的光电探测器进行相位基矢解码；

或者，所述时间基矢解码单元部分被设置成，根据所述第一光电探测器探测到光信号的时间窗口的位置来进行时间基矢解码。

优选的，反射镜包括：法拉第旋转镜；

所述不等臂迈克尔逊干涉仪中还包括：移相器。

基于上述技术方案，本发明实施例中公开了一种用于时间比特-相位编码的解码装置，包括：不等臂迈克尔逊干涉仪、两个光电探测器、解码单元和环形器；所述不等臂迈克尔逊干涉仪包括分束器和两个反射镜，所述两个反射镜分别与所述分束器连接以构成所述干涉仪的长臂和短臂，所述不等臂迈克尔逊干涉仪的臂长差对应的时间差值与相位基矢的2个时间模式光脉冲之间的时间间隔一致；所述两个光电探测器分别连接所述不等臂迈克尔逊干涉仪的两个输出端口；所述解码单元连接所述两个光电探测器，以根据所述两个光电探测器的输出进行所述相位基矢和/或时间基矢下的解码；所述环形器与所述用于时间比特-相位编码的解码装置的输入端口、所述不等臂迈克尔逊干涉仪的一个输出端口、以及一个光电探测器相连。能够解决现有技术中用于时间比特-相位编码方案的解码端结构存在的偏振相关、插损高、系统复杂及成本高等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中提供的时间比特-相位编码中的x基矢和z基矢示意图；

图2为现有技术的一种基于时间比特-相位编码方式的解码端结构示意图；

图3为另一种现有技术的基于时间比特-相位编码方式的解码端结构示意图；

图4为本发明的第一示例性实施例的用于时间比特-相位编码的解码装置结构示意图；

图5示出了图4的用于时间比特-相位编码的解码装置的解码原理示意图；

图6示出了本发明的另一种用于时间比特-相位编码的解码装置结构示意图；

图7示出了图6的另一种用于时间比特-相位编码的解码装置的时间基矢解码原理示意图；

图8示出了图6的另一种用于时间比特-相位编码的解码装置的相位基矢解码原理示意图。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

针对现有技术的采用时间比特-相位编码方案的诱骗态bb84系统的解码装置中存在的高插损、偏振相关、系统复杂且成本高等问题，本发明提出了一种新的特别适于时间比特-相位编码方案的解码装置，其不仅能够实现与偏振无关的测量，而且能够有效降低解码损耗，实现解码效率的提升。

图4示意性地给出了本发明的第一示例性实施例的解码装置，用于说明本发明的解码原理。如图4所示，该解码装置可以包括环形器1、不等臂迈克尔逊干涉仪、光电探测器4-1和4-2、以及解码单元(未示出)。不等臂迈克尔逊干涉仪可以包括分束器(bs)2和两个反射镜3-1、3-2，其中分束器2的端口2b与反射镜3-1构成干涉仪的长臂，分束器2的端口2c与反射镜3-2构成干涉仪的短臂，长臂与短臂之间的臂长差可以被设置成与x基矢的2个时间模式光脉冲之间的时间间隔保持一致。环形器1的端口1b连接分束器2的端口2a，环形器1的端口1c连接光电探测器d4-1，分束器2的端口2d连接探测器d4-2。解码单元与光电探测器d4-1和d4-2连接以接收来自光电探测器的输出信号，从而进行z基矢和x基矢的解码。

图5说明了图4的解码装置进行x基矢和z基矢的原理。

在一个系统周期内，当x基矢的前后两个连续时间模式光脉冲进入解码装置时，由环形器的端口1a进入且从端口1b输出至分束器2，经分束器2分束后分别从端口2b和2c进入干涉仪的长臂和短臂，并分别经反射镜3-1和3-2反射后返回端口2b和2c。由于不等臂干涉仪的长臂与短臂之间的臂长差被设置成与x基矢的2个时间模式光脉冲之间的时间间隔保持一致，因此对于长臂和短臂上经反射镜反射返回的连续两个光脉冲，短臂上的前一个光脉冲在第一时间到达分束器2，后一个光脉冲在第二时间到达分束器2，长臂上的前一个光脉冲在第二时间到达分束器2，后一个光脉冲在第三时间到达分束器2，其中第一时间<第二时间<第三时间。由此可见，在一个系统周期内，分束器2上将会在第二时间上出现两个相干光脉冲，且这两个相干光脉冲对应于x基矢的前后两个连续时间模式光脉冲，它们之间存在与编码相关的相位差关系。因此，当x基矢的前后两个连续光脉冲之间的相位差为0时(例如代表编码0)，在第二时间上将在端口2a处输出干涉结果，相应地，光电探测器d4-1在对应于第二时间的第二时间窗口t01上接收到一个较强的干涉光信号，光电探测器d4-2在时间窗口t01上未接收到光信号；当相位差为π时(例如代表编码1)，在第二时间上将在端口2d处输出干涉结果，即光电探测器d4-2在第二时间窗口t01上接收到一个较强的光信号，光电探测器d4-1在第二时间窗口t01上未接收到光信号。此外，在对应于第一时间的第一时间窗口t00上，光电探测器d4-1和d4-2均可能接收到短臂上前一个光脉冲经分束器2分束后输出的光信号；在对应于第三时间的第三时间窗口t02上，光电探测器d4-1和d4-2均可能接收到长臂上后一个光脉冲经分束器分束后输出的光信号。由此可见，在图4所示的解码装置中，当进行x基矢解码时，在一个系统周期内，光电探测器d4-1和d4-2中的一个将在t00、t01和t02三个时间窗口上均可能接收到光信号，其中t01时间窗口上的光信号为干涉信号，t01和t02时间窗口上的光信号为非干涉信号。光电探测器在t01时间窗口上的探测结果，对应于x基矢下的编码值。例如，当光电探测器d4-1在t01时间窗口上探测到干涉信号时，可以表示x基矢的编码0；反之亦然。

在一个系统周期内，当z基矢下的一个光脉冲进入解码装置时，由环形器的端口1a进入且从端口1b输出至分束器2，经分束器2分束后分别从端口2b和2c进入干涉仪的长臂和短臂，并分别经反射镜3-1和3-2反射后返回端口2b和2c。由于不等臂干涉仪的臂长差设置，如果该z基矢的光脉冲的时间位置在前(例如代表时间编码0)，则短臂和长臂上的光脉冲将分别在第一时间和第二时间到达分束器2，相应地，探测器d4-1或d4-2将各有一半概率在第一时间窗口t00和第二时间窗口t01上探测到光信号。第一时间窗口t00为非干涉窗口，为z基矢探测窗口。如果该z基矢的光脉冲的时间位置在后(例如代表时间编码1)，则短臂和长臂上的光脉冲将分别在第二时间和第三时间到达分束器2，相应地，探测器d4-1或d4-2将各有一半概率在第二时间窗口t01和第三时间窗口t02上探测到光信号，第三时间窗口t02为非干涉窗口，也为z基矢探测窗口。由此可见，在图4所示的解码装置中，当进行z基矢解码时，在一个系统周期内，两个光电探测器其中之一在非干涉时间窗口也即z基矢探测窗口有探测的两个时间窗口的位置t00和t02，分别对应于z基矢下的编码值。例如，光电探测器d4-1或d4-2在第一时间窗口t00有探测，则表示z基矢的编码0；光电探测器d4-1或d4-2第三时间窗口t02上有探测，则表示z基矢的编码1。

基于上述解码原理，在图4的解码装置中，解码单元可以被设置成，在一个系统周期内接收两个光电探测器d4-1和d4-2在第一、第二和第三时间窗口t00、t01和t02上的探测结果，其中：对于x基矢，根据在第二时间窗口上探测到干涉光信号的光电探测器来解码；对于z基矢，根据同时在两个光电探测器上出现非干涉信号的连续两个时间窗口的位置来解码。

在本发明的这一示例性的解码装置中，采用了由分束器(非偏振分束器)与反射镜搭建的迈克尔逊不等臂干涉仪，实现了与偏振完全无关的测量，很大程度上简化了解码结构，减低了成本；借助创新性的解码原理，基于特定三个时间窗口上的探测结果的分析，仅通过不等臂干涉仪与两个光电探测器的结合即可由同一光学结构同时实现z基矢和x基矢的解码，简单了解码装置的结构，同时将非干涉信号部分应用于解码中，实现了无损的解码，从而提高系统的成码率、成码距离，使得解码装置能够更好地适应长距离架空光缆环境。

图6示意性地给出了本发明的第二示例性实施例的解码装置，其与图4的结构相比，增加设置了一个基矢选择部件5和光电探测器d4-0。其中，环形器1、不等臂干涉仪、光电探测器d4-1、d4-2及相应解码单元部分被用作x基矢解码部分，光电探测器d4-0及相应解码单元部分被用作z基矢解码部分，基矢选择部件5用于根据预设概率将待解码的光脉冲输入到x基矢解码部分或z基矢解码部分中以在相应基矢下进行解码。

图7示意性地说明了z基矢解码部分的解码过程及原理。如图7所示，在一个系统周期内，当基矢选择部件5让x基矢下的两个时间模式光脉冲进入z基矢解码部分时，无论这两个光脉冲之间的相位差为0或者π(即x基矢编码为0或1)，光电探测器d4-0均有可能在第一时间窗口t00或第二时间窗口t01上接收到光信号，这意味着z基矢解码部分不能实现x基矢的解码。当基矢选择部件5让z基矢下的一个时间模式光脉冲进入z基矢解码部分时，如果该z基矢的光脉冲的时间位置在前(例如代表时间编码0)，则探测器d4-0将仅在第一时间窗口t00探测到光信号；如果光脉冲的时间位置在后(例如代表时间编码1)，则探测器d4-0将仅在第二时间窗口t01上探测到光信号。换言之，在一个系统周期内，光电探测器d4-0探测到光的时间窗口位置，对应于z基矢下的编码值。例如，在第一时间窗口t00上探测到光信号，则表示z基矢的编码0；在第二时间窗口t01上探测到光信号，则表示z基矢的编码1。

图8对应x基矢解码部分的解码过程及原理与图4所示实施例类似，因此本文中不再赘述。在此需要特别提及的是，由于x基矢解码部分在此仅用于在x基矢下解码，因此，仅通过第二时间窗口t01上探测到干涉信号的探测器位置即可体现x基矢编码的不同，例如，探测器d4-1在第二时间窗口t01上探测到干涉信号，即可以代表x基矢编码0；探测器d4-2在第二时间窗口t01上探测到干涉信号，即可以代表x基矢编码1。

因此，在图6的解码装置中，解码单元可以被设置成，在一个系统周期内接收三个光电探测器d4-0、d4-1和d4-2在第一和第二时间窗口t00和t01上的探测结果，其中：对于x基矢，根据在t01时间窗口上探测到干涉光信号的光电探测器来解码；对于z基矢，根据光电探测器d4-0探测到光信号的时间窗口位置来解码。

在本发明的这一示例性的解码装置中，与第一实施例相同的是同样实现了与偏振完全无关的测量，其不同之处在于：图4所示的解码结构中，在一个系统周期内要借助第一至第三共三个时间窗口上的探测结果来实现x基矢和z基矢的解码，而在本实施例的解码装置中，在一个系统周期内只需要借助第一和第二共两个时间窗口上的探测结果来实现x基矢和z基矢的解码，由于解码需要的时间窗口数量减少，因此需要的解码周期变短，探测的时间效率可以更高。然而，相较于第一实施例，本实施例用相对较短的探测周期，达到了较高的探测时间效率，并且在z基矢解码部分不存在固有损耗，可以提供无损解码，但x基矢解码存在固有3db损耗，对此，为了减少解码固有损耗，可以通过将基矢选择部件的z基矢和x基矢的概率比提高，从而减小x基矢解码部分带来的效率损失，提高解码装置的整体效率。

可选地，基矢选择部件可以为分束器。

优选地，在本发明中(例如图4或图6所示的解码装置)，还可以将反射镜3-1和3-2设置为法拉第旋转镜，以消除采用单模光纤时因双折射效应引起的光偏振态的随机变化，从而保证x基矢解码中的干涉对比度。

优选地，在本发明中(例如图4或图6所示的解码装置)，还可以在不等臂干涉仪中设置移相器，以对可能的相位漂移提供补偿。

本领域技术人员能够认识到，本发明并不局限于上述具体实施例，而是可以在不脱离本发明构思的情况下进行各种变形和变化。